Лишняя аминокислота, или зачем учёным потребовалась новая форма жизни

В последние несколько месяцев уже неоднократно в СМИ пробегали сообщения о тех или иных "коррективах", вносимых новыми данными в привычные представления об эволюции, а также новых теориях, выдвигаемых на основании каких-либо открытий.

Поправки вносились в представления о том, в каких условиях может существовать жизнь и где следует её искать.

Новые внезапные открытия подвергали сомнению общепринятые положения об эволюции человека и его расселении по Земле.

Самой тяжёлой, впрочем, артиллерией в этом отношении оказываются генетики: их заключения становятся порой совершенно революционными.

Однако создание новой формы жизни уже из другой области.

А именно это событие и произошло не так давно.

По правде говоря, создание учёных из института Scripps Research — не совершенно новое существо. Это, если пользоваться технической терминологией, модификация уже существующего организма — причём достаточно известного и крайне широко распространённого.

Речь идёт об "обыкновенной" кишечной палочке Escherichia coli (E. coli), крайне устойчивом ко всяким экстремальным условиям болезнетворном микроорганизме, обитающем в желудках и кишечниках млекопитающих.

Строение кишечной палочки.

И в то же время, учёные добились того, что их создание с чистой совестью можно назвать новой формой жизни.

Поскольку аминокислотных оснований в генетическом коде "новодела" — не двадцать, а двадцать одно.

Подавляющее большинство естественных белков содержат двадцать аминокислотных остатков (АКО). Хотя барьер этот, надо сказать, далеко не абсолютен.

Некоторые микроорганизмы выработали у себя способность образовывать "нестандартные" аминокислоты, такие как селеноцистеин и пирролизин, например. Впрочем, это всего лишь немного видоизменённые варианты цистеина и лизина.

Но куда больший интерес для учёных представляет возможность вводить в натуральные белки другие нестандартные аминокислоты.

Это было бы крайне полезно для медицинских исследований.

Например, некоторые белки, используемые в терапевтических целях, нуждаются в добавлении различных химических групп, таких как полимеры, соединения с поперечной связью и цитотоксичные молекулы.

Технология, использованная специалистами Scripps может найти применение и в базовых биомедицинских исследованиях. Например, существуют аминокислоты, содержащие флуоресцентные группы, которые можно использовать для того, чтобы "метить" белки, и наблюдать за их поведением и взаимодействием с клетками in vivo.

Кроме того, гидрофобные аминокислоты и кислоты, связывающие тяжёлые металлы, а также кислоты, содержащие спиновые метки, могут быть использованы для зондирования белковых структур, в которые их вводят.

Искусственные аминокислоты, содержащие такие компоненты, как, например, кето-группы, можно использовать для присоединения к ним дополнительных химических структур, например, молекул сахаров, что позволит создавать новые лекарства на белковой основе.

Как явствует из специального пресс-релиза, учёных, как обычно, интересует не столько факт создания, по сути, новой формы жизни, сколько практическое применение их технологии.

В самом внедрении искусственных аминокислот в белки нет ничего нового, однако прежде такие манипуляции можно было проводить только в пробирке. А бактерия с 21 аминокислотой, как уже указано, сама способна вырабатывать модифицированные белки.

Схема, изображающая строение аденина.

Создать саму бактерию Шульцу и его коллегам удалось благодаря избыточности генетического кода.

В момент экспрессии белка, фермент считывает ДНК-основания гена (аденин, гуанин, цитозин и тимин) и транскрибирует их в РНК (аденин, гуанин, цитозин и урацил).

Информационная РНК (иРНК) затем переводится рибосомой в белок. Рибосоме требуется поддержка молекул транспортной РНК (тРНК), "заряженной" аминокислотой, а для этого требуется поддержка "заряжающего" фермента.

Каждая тРНК распознаёт отдельную трёхосновную комбинацию (кодон) в информационной РНК и "заряжается" только одной аминокислотой, свойственной этому кодону.

В процессе синтеза белков, тРНК, характерная для следующего кодона в иРНК, приходит уже "заряженной" нужной аминокислотой, и рибосома захватывает её и присоединяет к растущей белковой цепочке.

Избыточность генетического кода проистекает из факта существования большего количества кодонов, чем используемых аминокислот. Существует 64 различных способа формирования кодона — или любой трёхзначной комбинации четырёх "букв" (УАГ, АЦГ, УТЦ и так далее). А аминокислот используется (как правило) всего лишь 20.

Однако природа использует некоторые из излишних кодонов: часть из них кодируют одни и те же кислоты, и только три из 64 кодонов не кодируют вообще никаких аминокислот.

Эти кодоны имеют важное значение, поскольку обычно, когда синтезирующая рибосома натыкается на несмысловой кодон, она отделяется от иРНК и синтез прекращается.

Таким образом, несмысловые кодоны называют ещё и стоп-кодонами. Один из них, известный под названием "янтарный стоп-кодон" (урацил-аденин-гуанин — УАГ), сыграл важную роль в исследованиях Шульца.

Шульц знал, что если он введёт в клетки молекулу тРНК, которая распознаёт УАГ (известную как янтарный супрессор), а также фермент, несущий янтарный супрессор с нестандартной аминокислотой, ему удастся найти способ внедрять нестандартную аминокислоту в любой протеин.

Благодаря этой системе, рибосома, считывающая иРНК, внедрит нестандартную кислоту в тот момент, когда ей встретится УАГ. Более того, любой кодон в иРНК, преобразованный в УАГ, будет кодировать новую аминокислоту в том же самом месте, давая Шульцу и его коллегам возможность внедрять эти новые кислоты в белки там, где им нужно.

Используя этот метод, Шульц и его коллеги вводили кислоту О-метил-L-тирозин в белки с точностью переноса более 99% — почти как у естественных аминокислот. Впоследствии то же самое удалось проделать с рядом других кислот, в том числе p-аминофенилаланином, той самой 21 аминокислотой бактерии.

Плазмиды, визуализированные с помощью электронного микроскопа.

Впоследствии, добавив плазмиды — циркулярные фрагменты ДНК, которые вызывают экспрессию метаболических генов, необходимых для производства p-аминофенилаланина, — учёные "научили" бактерию вырабатывать собственные нестандартные аминокислоты и внедрять их в любой протеин, кодируемый иРНК, содержащей кодон УАГ.

Теперь учёным предстоит сравнить уникальную бактерию, содержащей 21 аминокислоту с её "родственницей", обычной кишечной палочкой с 20 аминокислотами, и выяснить, как и насколько различаются их эволюционная адекватность и выживаемость.

Статья получена: Membrana.ru